Введение:

Поверхностные характеристики являются одним из ключевых объектов исследований в таких областях, как материаловедение и химия. Грамотная оценка морфологии поверхности и её характеристик играет важную роль при экспертизе соответствующих материалов, анализе их свойств и совершенствовании технологических условий обработки. В настоящей статье представлен принцип работы широко используемого метода измерения поверхностных параметров — ступенчатого профилометра, а также его применение в различных сферах.

I. Принцип работы ступенчатого измерителя

Ступенчатый измеритель — это контактный прибор для измерения рельефа поверхности, предназначенный главным образом для определения толщины ступеней на материалах. Он получает информацию о рельефе путём измерения относительного смещения между зондом и исследуемым образцом. В зависимости от используемого датчика контактные ступенчатые измерения подразделяются на три типа: индуктивный, пьезоэлектрический и оптоэлектронный. Индуктивный тип применяет в качестве чувствительного элемента индуктивный датчик перемещения; он характеризуется высокой точностью измерений и большим отношением сигнал/шум. Пьезоэлектрический тип использует пьезокристалл в качестве чувствительного элемента; его преимуществами являются высокая чувствительность и простота конструкции. Оптоэлектронный тип, в свою очередь, регистрирует изменения величины смещения за счёт изменения светового потока, проходящего через узкую щель, с помощью оптоэлектронных детекторов.

Схема устройства ступенчатого прибора

II. Основная конструкция и принцип действия ступенчатого измерителя

Измерение ступеней — это новое направление в традиционных методах измерения поверхностной рельефности. По сравнению с традиционными методами, объекты измерения в данном случае чаще представляют собой регулярные поверхности с одномерной структурой; материалы образцов обычно различны и обладают низкой твёрдостью; диапазон измерений широк, а требуемое измерительное усилие невелико. Ступенеизмерители относятся к контактным приборам для определения поверхностной рельефности и применяются для измерения толщины ступеней на материалах. В зависимости от используемых датчиков контактное измерение ступеней подразделяется на три типа: индуктивный, пьезоэлектрический и оптико‑электронный.

Смещение положения сканирования зонда

Калибровка положения зонда

III. Факторы влияния

При измерениях с использованием ступенчатого прибора необходимо учитывать следующие факторы, влияющие на результат:

1. Направление погружения образца: при испытании с ориентацией рабочей поверхности вверх после травления на ступени изображение соответствует горизонтальному уровню линий базовой плоскости; слой покрытия травится чисто, параллельно линиям на поверхности покрытия, что обеспечивает хорошо выраженный ступенчатый эффект, высокую параллельность данных измерений, малые отклонения и высокую воспроизводимость. В то же время у образцов, испытанных с ориентацией рабочей поверхности вниз, результаты оказываются хуже.

2. Способ наклеивания ленты: при использовании метода, при котором образец сразу же подвергается травлению после наклеивания ленты, наблюдается значительная погрешность результатов, высокая вариативность данных и плохая воспроизводимость, что приводит к неудовлетворительным результатам. В то же время при применении метода, при котором перед травлением сначала удаляется часть ленты, отмечается меньшая погрешность результатов, низкая вариативность данных, хорошая воспроизводимость и оптимальные результаты испытаний.

3. Влияние посторонних примесей: при очистке образца спиртом необходимо тщательно удалить все загрязнения; остатки грязи на образце, особенно вдоль краёв клейкой ленты, могут повлиять на результаты измерений.

Влияние загрязнения зонда

IV. Анализ распространённых проблем

При измерениях с использованием ступенчатого профилометра могут возникать некоторые типичные проблемы; для обеспечения бесперебойного проведения испытаний высоты ступеней необходимо оперативно их устранять. К распространённым неполадкам относятся отклонения в положении сканирования зонда, загрязнение острия зонда и нарушения параметров измерительной силы. Для решения этих проблем применяют соответствующие меры: коррекцию положения зонда, очистку его острия и регулировку измерительной силы.

V. Примеры применения

Результаты измерений, получаемые с помощью ступенчатого профилометра, отличаются стабильностью и высокой точностью; прибор предъявляет низкие требования к условиям измерения и прост в эксплуатации; им можно определять толщину не только металлических, но и неметаллических поверхностей. Он находит широкое применение в самых различных областях. Например, в сфере технологий нанесения покрытий ступенчатый профилометр позволяет исследовать толщину многослойных покрытий на поверхности материалов; в области пьезоэлектрических систем сбора энергии он используется для измерения толщины кремниевых пленок в гибких пьезоэлектрических преобразователях и т. п.

Различные материалы, различная толщина в разных зонах

Измерение толщины кремниевой плёнки с помощью ступенчатого прибора

Вывод:

Ступенчатый профилометр, будучи широко распространённой методикой измерения поверхностей, обладает высокой точностью и простотой эксплуатации. Понимание его принципа действия и способов применения имеет важное значение для правильного использования ступенчатого профилометра при измерении морфологии поверхности. При соблюдении надлежащих процедур и учёте соответствующих рекомендаций можно обеспечить точность и достоверность получаемых результатов.

Полуавтоматический ступенчатый прибор Zeyou Technology JS100A

Компания «Аньхой Цзэюй Технологии» — это научно‑инструментальная фирма, обладающая полностью самостоятельными правами интеллектуальной собственности. С начала 1990‑х годов, когда была начата разработка электронных микроскопов и сопутствующего оборудования, её исследовательская команда неизменно стремится предоставлять высококачественные приборы для нанонаучных исследований. В настоящее время компания располагает в том числе… Пико Фемто Серия Система измерений в режиме in situ с использованием ТЭМ 、 Система измерений СЭМ в нативном состоянии 、 Настольный сканирующий электронный микроскоп серии ZEM 、 Ступенчатый измеритель серии JS 、 Нано‑пьезо‑столик 、 Станок для переноса двумерных материалов 、 Пробоночная платформа и низкотемпературная система 、 Линейка с датчиком линейного перемещения Ряд продуктовых линеек, включая …, привлекли широкое внимание как на внутреннем, так и на международном рынках, заполнив многочисленные пробелы в отечественной сфере научно‑точных приборов.